简易避障小车设计详解

简易避障小车设计

1.设计背景

随着汽车的自动化、智能化程度的提高，新一代智能汽车的研发在国内外受到越来越多的重视。目前，国内比较先进的智能车通过观测前方的路况，将路面的信息输入到车内的电脑中，通过计算机控制方向盘的运动，实现自动避障[1]。智能车辆的速度，关键在于它的控制技术，这就涉及到它的避障算法。一个好的控制算法如同一个有经验的司机，控制汽车运行[2]。自第一台工业机器人诞生以来，智能小车的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来智能小车的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。借此在上单片机课的这次机会，我们三个共同想要自己研究制造一辆避障小车。

2.总体概述

2.1系统功能

智能小车采用后轮驱动，后轮左右两边各用一个电机驱动，分别控制两个轮子的转动从而达到转向的目的，后轮是万向轮，起支撑的作用。将三个红外线光电传感器分别装在车体的左中右，当车的左边的传感器检测到障碍物时，主控芯片控制右轮电机反向转动左轮电机正向转动，车向右方转向，当车的右边传感器检测到障碍物时，主控芯片控制左轮电机反向转动，右轮电机正向转动，车向左方转向，当前面有障碍物时规定车向右转。

2.2系统结构

智能避障小车的结构

2.3 系统原理

本设计用单片机来处理传感器采集来的数据，通过光电开光传感器判断小车前面的障碍物接受信号，处理完毕之后以便去控制电机驱动电路来驱动电机。电源部分为整个电路模块提供电源，以便能正常工作。

2.4控制框图

2.5系统模块

2.5.1 障碍物探测模块

使用三只E3F-DS30C4光电开关，分别探测正前方，前右侧，前左侧障碍物信息，在特殊地形（如障碍物密集地形）可将正前方的光电开关移置后方进行探测。E3F-DS30C4光电开关平均有效探测距离0-30cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源的直接照射）。小车换档调速后的最大制动距离不超过30cm，一般在10-20cm左右。

2.5.2 电机驱动模块

使用全桥驱动芯片L298N芯片驱动电机，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO

口提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使用比较方便。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，正好符合小车两个二相电机的驱动要求。

2.5.3 电源模块

采用6V干电池通过7805转换为5V电压向单片机和光电开光供电，在稳压方面，起始时考虑使用7805芯片对6V 的电池电压进行降压稳压。

故

使用干电池对系统供电，小车模型作为小车底座，采用单片机作为主控芯片，采用E3F-DS30C4光电开关进行障碍物探测，使用L298N驱动直流电机。

3. 硬件电路

本次设计是以单片机来控制小车实现启停和检测前面的障碍物并且能够实现简单的避障。本系统硬件由单片机系统控制电路、障碍检测电路、电机驱动电路和显示电路模块。本设计通过小车这个载体再结合由单片机为核心的控制板可以达到其基本功能，能够利用红外线光电传感器感应到前面的障碍物，再通过控制电路使小车可以进行向右向左转弯，再辅加由红外线光电传感器组成的避障电路、电源电路、差分驱动电路就可以完善整个设计。利用红外技术检测障碍物信息，采用单片机进行实时控制，实现智能避障，智能小车采用后轮驱动，两轮各用一个直流电机控制，避障用的传感器采用光电开光传感器。

电路框图

3.1硬件的最小系统设计模块

单片机在系统中起到控制中心的作用，负责检测传感器的状态并向电机驱动电路发出动作命令。采用手动复位。用单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

单片机的P1口通用口用来接收红外传感器的信号,P1.0到P1.3口分别来接收三个光电开关的输入信号，P2通用口用来驱动电机，P2.0到P2.6用来控制L298N 的输入口。 最小系统电路图如图：

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最小系统电路图

3.1.1 时钟电路

单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。单片机产生时钟有两种方法。内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ 到12MHZ 之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20PF 到100PF 之间取值，但在60PF 到70PF 时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择12MHZ,电容选择20PF 。

时钟电路图如图所示：

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时钟电路

3.1.2 复位电路

infineonXC2000的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST 通过一个斯密特触发器来抑制噪声。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc 的上升时间不超过1ms ，就可以自动实现自动上电复位。时钟频率用11.0592MHZ 时C 取10μF,R 取1K Ω。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST 端经电阻与电源Vcc 接通而实现的。

复位电路图如图所示：

SW1

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复位电路